乌鞘岭隧道千枚岩地段快速施工技术

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内容提示：本文主要阐述了乌鞘岭隧道千枚岩区地段快速掘进技术，从地质构造、围岩特性及地下水等方面论述了施工方法根据围岩情况而动态调整。

延伸阅读：千枚岩地质 施工技术 隧道开挖

    1. 工程概况

    1）地理位置及设计概况   .

       乌鞘岭隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间,设计为两座单线隧道，隧道长20050m，隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上，右、左缓和曲线伸入隧道分别为68.84m及127.29m，隧道其余地段均位于直线上，线间距40m，两隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡,右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m，洞身最大埋深1100m左右。隧道左、右线均采用钻爆法施工，右线隧道先期开通。隧道辅助坑道共计15座，其中斜井13座，竖井1座，横洞1座。（参考《建筑中文网》）

    乌鞘岭隧道地层岩性复杂,沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有,且以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。区内出露地层主要有第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩、志留系、奥陶系变质岩，并伴有加里东晚期闪长岩侵入体。隧道横穿祁连褶皱系的北祁连伏地褶皱带和走廊过渡带两个次级构造单元, 褶皱及断裂构造发育。主要不良地质为有害气体，湿陷性黄土和膨胀岩。隧道预计最大涌水量为9621.81m3/d，施工中可能发生围岩失稳，突然涌水涌泥、岩爆、热害、含煤层有害气体等地质灾害情况。

    乌鞘岭隧道九号斜井工程井口位于天祝县垛什乡龙沟村石头沟组，距312国道约12公里，洞口海拔高度2802米，常年气候寒冷、干燥，冬季及夏季多雨雪，最高峰终年积雪，雨雪天气约占40%，春季多风沙，最大阵风达到12级，历史记录最低气温为零下30度。

    9号斜井井口标高2804.20米，井底标高2525.23米，高差278.97米，综合坡度11.9%，扣除会车道的影响，坡度达到13.5%，为尽量减少F7断层的影响，并便于在正洞开设两个工作面，经设计院勘查，斜井在1000米处转向，转向后斜井长达2429米，是乌鞘岭隧道无轨运输辅助导坑中坡度最大的斜井。

    九号斜井所承担的区段是控制工期的重点。

    2. 千枚岩围岩的施工特点

    1）地质情况
    志留系板岩、千枚岩，以千枚岩为主，局部夹有石英脉，板岩薄层状，层理不明显，节理、裂隙发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构面充填泥质物，面光滑、稳定性较差；千枚岩挤压揉皱，松软破碎，其中石英脉多呈酥碎砂状，以散体结构为主。开挖后呈碎石、角砾状，掌子面无明显渗水，但开挖后有少量渗漏水、滴状及面状洇湿，量小，拱部有掉块、坍塌现象。围岩整体稳定性较差。为V级围岩。

    本隧道内出露的千枚岩为黑色至深灰色，千枚状构造，显微鳞片变晶结构，含水量大时呈团块状，含水量少时为鳞片状，片理极其发育，层厚0.01~2mm，岩体破碎，片理面手感光滑，有丝绢光泽。千枚岩属副变质岩，主要由沉积岩中的页岩经区域变质作用形成，主要矿物成分是绢云母、石英、绿泥石等，基本已全部重结晶，软弱矿物成分较多，因而千枚岩硬度小，单轴抗压强度小于1MPa，膨胀率13%，易风化。挤压紧密的炭质千枚岩层具有弱透水性，是相对隔水层。
    2）地下水的影响
    地下水在隧道施工中，对围岩的稳定性起着很大的作用，特别是在软弱的千枚岩区，更是起着控制作用。
    当洞身开挖以千枚岩为主时，开始时无地下水，但不久即出现滴水，甚至股水。究其原因，可能是因为洞身的千枚岩层上部实为板岩层（由于受开挖断面制约，开挖时未揭露出板岩层）。当含有层状板岩时，在构造应力作用下，岩性较硬的板岩中会产生不同方位的贯通裂隙，这样就为地下水的流动提供了通道。一般来说，围岩洞身为千枚岩时，当千枚岩厚度达到一定程度，洞身就不会出现地下水。在开挖时围岩产生应力重分布，发生变形，形成一定的松动区与塑性区。当塑性区的范围还未接近板岩区时，而这个范围不至于使板岩中的地下水由于渗透压力而进入塑性区时，这时洞身也不会出现地下水；当初期支护不及时或初期支护强度不足以抵抗千枚岩的变形时，塑性区的范围可能更大，当超过这一范围时，地下水进入塑性区，而千枚岩遇水即软化、泥化，使塑性区条件恶化，从而使塑性区加大，这又使地下水进一步发育。塑性区的加大与地下水的发育互相促进，互相作用，使围岩稳定性不断变差，变形不断发展，产生各种病害。这一点体现在千枚岩层中地下水的延迟性（即塑性区在地下水作用下逐渐加大的过程）。

    乌鞘岭隧道千枚岩区施工难度较大，主要受变质岩的特征、地质构造、千枚岩的特性和地下水所决定。

    3）隧道开挖

    千枚岩与板岩互层区，软硬岩相间，爆破药量难以控制，一般来说，造成软岩部分超挖、硬岩部分欠挖，导致开挖成型差。这使围岩不同部位的应力释放产生差异，不利于应力重分布，因而产生不同程度的掉块或局部坍塌。
    而在全千枚岩区，岩体相当破碎，呈团块状、片状、鳞片状。开挖时易于钻进，但易塌孔。千枚遇水后软化似弹簧土，泥化呈淤泥状。初期支护施作以后，围岩变形大，且长期不收敛，局部地段4~5个月不趋于稳定；开挖时无地下水，后期地下水增大。这些病害都危及到隧道施工安全与结构质量。

    3、进行行之有效的各种技术参数的试验

    一）、锚杆施工

    1、打眼

    通过施工现场记录用50mm的钻头打1根3m长的眼孔需要12分钟，同样的钻头4m的眼孔用时16分钟，而6m的眼孔则需用时30~40分钟，φ42的钢管3m和4m深的眼孔进管时间需用1~2分钟，而6m的钢管进管时间则需用2~3分钟，同时6m深的眼孔会有部分钢管不能完全进到围岩里，外露部分长约40~60cm，比例为10%。

    2、注浆

    注浆用的材料为甘肃永登水泥厂生产的祁连山牌普通硅酸盐水泥P·032.5R水泥净浆，水灰比W/C为0.6

    3、张拉

    3m长的φ42锚管注浆前的锚杆拉拔力为10.2KN，为1.04t，注好浆后的拉拔力为1.04t，注浆后1天的锚管拉拔力为51KN为5.2t

    4m长的φ42锚管注浆前的锚杆拉拔力为12.2KN，为1.24t，注好浆的锚杆拉拔力为12.8KN为1.31t，注浆后1天的锚管拉拔力为51KN为5.2t

    6m长的φ42锚管注浆前的锚杆拉拔力为28.6KN，为2.92t，注好浆的锚杆拉拔力为29.1KN为2.97t，注浆后1天的锚管拉拔力为61.2KN为6.24t

    3m长的锚杆28天的拉拔力为6~8t。

    4、2004年7月2日，在武威方向YDK175+375~+380段边墙部位对φ32的锚管进行试验，其中4m深的眼孔3根，6m深的眼孔3根，注浆浆液配比不变，36h后张拉，4m长的锚管张拉力为81.6KN、81.6KN、96.9KN，平均拉拔力为86.7KN，为8.85t，6m长的锚管张拉力为96.9KN、96.9KN、102.2KN，平均拉拔力为98.6KN，为10.1t。

    通过以上试验结果并对比，得出：在施工中采用φ32的锚管可以达到设计要求。

    二）、水泥浆液的试配与配比选择

    1、2004年7月5日，对浙江金华华夏注浆材料有限公司生产的MC型注浆材料（以下简称超细水泥）掺水玻璃双液浆进行试验试拌

    试验条件：水玻璃S=30Be’，W/C=0.8，胶凝时间为24s，室温17℃水温11℃，双液浆W/C=0.8 C：S=1：1

    试验结果：

    超细水泥掺水玻璃：

    2、2004年7月9日，对普通水泥掺早强剂与超细水泥掺早强剂进行强度对比试验试拌

    试验条件：室温17℃，水温14℃，

    试验结果：

    3、2004年7月13日晚，对普通水泥不掺早强剂与超细水泥不掺早强剂进行强度对比试验

    试验条件：室温15℃，水温13℃，

    试验结果：

    4、2004年7月14日晚，对HSC浆液与硫铝酸盐水泥加外加剂注浆强度对比

    试验条件：室温15℃，水温13℃，

    试验结果：

    5、2004年7月15日，HSC掺1%封口外加剂强度

    试验条件：室温17℃，水温14℃，

    试验结果：

    6、2004年7月16日，各种水泥强度对比(试件放在养护箱养护）

    试验结果：

    三）、锚索施工

    2004年6月29日在B通道开始进行锚索试验，由于风钻的原因直到2004年7月4日才开始锚索注浆工作，7月6日下午锚索注浆后33h进行锚索张拉试验，锚索长度为10m，锚固段长度为2米，张拉结果为16.5t，千斤顶伸长值为34mm 。2004年7月8日上午进行第2根锚索张拉试验此时为注浆后3天，锚索长度为10m，锚固段长度为2米，张拉结果为6.4t，千斤顶伸长值为24mm试验失败。与此同时，在正洞YDK175+380~+395段进行锚索钻孔施工，于7月8日打好6m长的眼孔6根，进行锚索下锚并注浆工作，其中锚固段长度为2m，7月11日锚索注浆3天后进行张拉试验，试验结果为锚索张拉力为15t，千斤顶伸长值为18~24mm，试验成功，7月9日，在正洞YDK175+380~+400.5段又进行锚索打眼施工,眼深为9m、10m长度不等，7月12日进行下锚注浆工作，其中锚固段分别为2m、3m、4m和5m，2004年7月15日进行张拉，张拉结果为15t，千斤顶伸长值为17~20mm，通过量测资料表明，在锚索张拉后，正洞变形明显下降，于是把锚索当作一种工序进行推广，截止到目前在武威方面已经试做锚索45根，张拉30根，张拉力为3t，千斤顶伸长值为9~14mm，兰州方向在横通道拱顶及对面边墙施做锚索16根已张拉。

    4、采取动态的施工技术

    主要施工方法

    1、超前支护

    超前支护采用Φ42小导管，拱部设置，间距25cm，数量40根。超前注浆排管长度4.0m，排距控制在2.0m以内（每循环进行一次），注水泥水玻璃双液浆。

    2、开挖

    开挖采用微震光面爆破，辅以人工风镐开挖。

    3、扒碴、装碴运输

    上断面松碴采用挖掘机扒碴，装碴采用312挖装机，自卸汽车运输。

    4、初期支护

    4.1立拱挂网

    钢支撑采用I20或H175型钢；纵向连接钢筋设双层，为Φ22螺纹钢筋，每层钢筋的间距为1.0m；钢筋网设双层，采用Φ8圆钢焊制而成，网片网格间距20х20cm。

    钢支撑架立后，立即打设锁脚锚杆，锁脚锚杆为φ42管式注浆锚杆，长度4.0m。每榀设置，上断面8根，设置在拱脚和两节拱架连接板0.5m范围内，下断面4根，设置在拱脚上1.0~1.3m范围内。

    4.2喷射混凝土

    喷射混凝土采用钢纤维混凝土，混凝土标号C20。9号斜井位于富水区，临时支护喷砼中可添加微纤维，封闭毛洞壁、增加抗渗性，改善施工作业环境，加快进度。

    4.3系统锚杆

    系统锚杆采用φ32管式注浆锚杆，间距80х80cm，梅花形布置，拱部长度4.0m，数量16根，边墙长度6.0m，数量10根。

    管式注浆锚杆采用硫铝酸盐水泥浆液注浆，注浆结束36h以后安装垫板和螺母。

    4.4锚锁

    锚锁采用单股钢绞线，截面积15.2cm2，一般地段采用6m长的锚索，特殊地段采用10m长的锚索，锚固长度3m，剩余为自由段长度。注硫铝酸盐水泥注浆，注浆36小时以后开始张拉，初始预应力3t。

    4.5回填注浆

    对喷射混凝土背后可能存在空洞的地方进行注浆，注浆材料为普通水泥浆或水泥砂浆。位置为拱顶和上断面拱脚。

    5、仰拱施工

    仰拱采用挖掘机开挖人工配合清碴，必要时进行弱爆破。开挖前加临时横撑，开挖后及时进行封闭，每次的开挖长度2~3m。

    5. 结论

    乌鞘岭隧道在千枚岩地段施工，必须值得引起足够重视的是地下水的影响，在硬岩中裂隙发育，地下水的影响相对较小，而在软弱的千枚岩段，地下水的作用加速了围岩的变形，使围岩稳定条件恶化，易形成大塌方。所以在开挖时如有地下水，就应该及时施作初期支护，而且变化超过正常水平时，应加强初期支护，抑制围岩的进一步变形，防止发生坍塌。

    2000m以上的长斜井，在我国铁路建设中是极少见的，无轨运输重车长距离上坡所产生的废烟、废气对坑道的污染会相当严重，施工通风应能满足规范允许的坑道施工环境要求。同时要有足够的备用设备和零配件，以保证通风系统的正常运行。为保证施工的顺利进行，施工用电也至关重要，在斜井口需配置保证不停电的备用电源和足够的功率；为加快施工进度，斜井进入正洞后，承担多个工作面的运输任务，无轨运输的单车道斜井断面，其运输能力明显不足，需加强车辆调度系统管理。

    由于乌鞘岭隧道九号斜井采取了超强支护措施，灵活动态的施工方法，形成了快速的施工生产能力，受到了总指挥部和铁道部的贺电表扬。

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/4002.htm

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